Physiker messen Lichtabsorption einzelner Atome
„Wir haben die maximale Signalausbeute pro beleuchtendem Photon herausgeholt“, so Erik Streed, einer der Autoren. Dies sei insbesondere für die Mikroskopie lebender Zellen und ihrer Bestandteile von Bedeutung: „Eine maximale Signalausbeute ist entscheidend für die Aufnahme lichtempfindlicher Proben im ultravioletten oder im Röntgenbereich, wo die Bestrahlung mit schädigenden Dosen häufig die Untersuchung von Phänomenen unmöglich macht.“ Gerade wichtige Prozesse unter Beteiligung des Zellkerns wie Zellteilung und Genexpression sind empfindlich gegenüber hohen Beleuchtungsstärken. Kontraststarke Techniken und ein besseres Verständnis der Photoabsorption können zu Beleuchtungsreihen führen, die das Erhalten der Zellfunktionen ermöglichen.
Um einen so hohen Kontrast zu erreichen, mussten die Forscher das Ytterbium-Atom in einer Hochvakuum-Paul-Falle möglichst ruhig positionieren. Hierzu bedienten sie sich der Laserkühlung, bei der Laserlicht ganz leicht unterhalb der Anregungsfrequenz des gefangenen Atom eingestrahlt wird. Dieses Licht entzieht dem Atom dann Energie, bis es sich auf wenige Tausendstel Grad über dem absoluten Nullpunkt abkühlt. Den Laser fokussierten sie auf wenige Mikrometer, das entspricht dem Zwanzigstel einer Haaresbreite. Das Bild nahmen sie mit einer Fresnellinse bei über 600-facher Vergrößerung und bei Beleuchtungszeiten von ungefähr einer Sekunde auf. Sodann verglichen sie die Absorptionsbilder mit absorptionsfreien Bildern, bei denen das gefangene Atom aufgrund der Beeinflussung mit einem anderen Laser kein Licht mehr absorbierte. Durch den Vergleich der beiden Bilder konnten die Forscher die exakte Absorption bestimmen. Ihre Ergebnisse sind auch für die Quanteninformationsverarbeitung interessant, da viele Konzepte zu Quantencomputern mit optischen Methoden arbeiten.